Mechanik in Jahrgangsstufe 7 des bayerischen G8 - Prof. Dr. Thomas Wilhelm Institut für Didaktik der Physik
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Mechanik
in Jahrgangsstufe 7
des bayerischen G8
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Institut für Didaktik der Physik
Universität Frankfurt
Regensburg 16.3.2013
Gliederung 1. Der bayerische Lehrplan 2. Das Unterrichtskonzept 3. Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt 4. Die Lehrerhandbücher 5. Videoanalyse mit „measure dynamics“ 6. Fazit Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
1. Der bayerische Lehrplan
Newtonsche Mechanik eines der schwierigsten
Inhaltsgebiete. Gründe:
Schülervorstellungen
Sachstruktur
Ungeeignete Darstellungen
Studien zeigten:
Selbst in der 11. Jgst. des bayerischen G9 haben nur wenige
Schüler die Grundideen der Newton‘schen Mechanik verstanden.
Vielfältige Forschungsergebnisse zum Mechaniklernen
sprachen für Lehrplanänderungen.
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
1. Der bayerische Lehrplan
G8 in Bayern brachte gute Änderungen.
Neu in Jgst. 7:
Einführung in die Mechanik über die Dynamik
Starke Kürzung der Statik
Nur qualitativ ohne Rechnungen und ohne Diagramme
Nur Kräfteaddition, keine Kräftezerlegung
Neu in Jgst. 8:
Energie vor Arbeit, erst hier Kraftwandler
Neu in Jgst. 10:
Modellbildung und Videoanalyse
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
1. Der bayerische Lehrplan
Viele Lehrkräfte wussten anfangs nicht, wie sie die 7. Jgst.
unterrichten sollen.
Die Physikdidaktiken wurden um Hilfe gebeten.
Physikdidaktiken München (Prof. Wiesner et al.), Wien
(Prof. Hopf), Würzburg (Prof. Wilhelm) und arbeiteten
zusammen:
Konzept und Materialien zum bayerischen G8
bekannte Sachstruktur weiterentwickelt
alle Vorarbeiten gemeinsam:
von Anfang an zweidimensionale Bewegungen
vektorielle Zusatzgeschwindigkeit v betont
Kraft dynamisch eingeführt
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
2. Das Konzept
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Institut für Didaktik der Physik
Universität Frankfurt
Regensburg 16.3.2013
2.1 Grundideen des Konzeptes
Die zwei wesentlichen Unterschiede zum traditionellen
Mechanik-Unterricht:
Dynamik vor Statik (nach Reihenfolge und Gewichtung)
Kraft wird eingeführt über Bewegungsänderungen.
Nur als Spezialfall: Körper bleibt in Ruhe bei Kräftegleichgewicht.
Erst später: Zwei gegengleiche Kräfte an einem ausgedehnten
Körper können ihn verformen (→ Hooke‘sches Gesetz).
2-dim vor 1-dim Bewegungen (Reihenfolge und Gewichtung)
Von Anfang an allgemeine zweidimensionale Bewegungen
Betonung der Richtung aller Größen
Darstellung mit Pfeilen statt mit Diagrammen
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
2.1 Grundideen des Konzeptes
Begründung:
In der Statik lernen die Schüler falsch:
Kräftegleichgewicht bedeutet Ruhe.
Ist eine Kraft größer, bewegt sich der Körper augenblicklich in
Richtung der größeren Kraft. Die Bewegung geht immer in
Kraftrichtung.
Kraft und Gegenkraft greifen am gleichen Körper an.
Wechselwirkungsprinzip wird nicht bedacht.
„Trägheit = am gleichen Körper angreifende Gegenkraft“ wird von
Statik unterstützt.
Die Dauer der Krafteinwirkung spielt keine Rolle.
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
2.1 Grundideen des Konzeptes
Begründung:
Bei 1-dim Bewegungen lernen Schüler falsch:
Alle Größen sind skalare Größen (Zahlen).
Ort = Weg
Geschwindigkeit = Tempo
Beschleunigung = Schneller/langsamer werden
Für Kreisbewegung mit konstantem Tempo ist keine Kraft nötig.
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
2.1 Grundideen des Konzeptes
Wie kommt man dann zur Statik?
Nach den Newton‘schen Axiomen werden
verschiedene Kraftarten behandelt,
u.a. die Gewichtskraft.
Dann wird die Kräfteaddition behandelt
mit dem Spezialfall Kräftegleichgewicht.
Zwei gegengleiche Kräfte an einem aus-
gedehnten Körper führen zur Verformung
Hooke‘sches Gesetz
Nutzbar für Federkraftmesser
(einfachere Kraftmessung)
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20132.1 Grundideen des Konzeptes
In der Sek. I wird auf einiges verzichtet:
Keine Beschleunigung
Kein Impuls
Praktisch keine Rechenaufgaben
Keine Diagramminterpretation
Kein Spezialwissen, nur grundlegendes Verständnis
Zweites Newton‘sches Axiom (Newton‘sche Bewegungsgleichung)
nicht experimentell und induktiv herleiten, sondern mitteilen und
plausibel machen!
Zweites Newton‘sches Axiom (Newton‘sche Bewegungsgleichung)
nur in der vereinfachten Produktform F t m v
Kein Grenzübergang, d.h. nur Durchschnittswerte, keine
Momentanwerte
Kaum Behandlung von Kraftwandlern, erst bei Energie!
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20132.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept
Beginn mit allgemeinen zweidimensionalen Bewegungen
Beschreibung einer Bewegung:
Um die Bewegung eines Gegenstands zu beschreiben,
muss zu bestimmten Zeitpunkten festgestellt werden, wo
sich der Gegenstand befindet.
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20132.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept
Tempo zurückgelegter Weg s
Tempo v
(als Geschwindigkeitsbetrag) benötigte Zeit t
Richtung (als augenblickliche
Bewegungsrichtung)
Geschwindigkeit:
Kombination von Tempo und Richtung
Geschwindigkeit wird mit Pfeil dargestellt
Hilfreich: Videoanalyse, die
Geschwindigkeitspfeile ins Video
zeichnen kann
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20132.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept
Zusatzgeschwindigkeit v als eigenständige Größe
(als Elementarisierung der Beschleunigung)
Bitte anklicken!
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20132.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept Der zentrale Versuch mit Videoanalyse: Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
2.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept
Die Zusatzgeschwindigkeit v ist
Folge einer Einwirkung.
Die Richtung der Einwirkung und die
Richtung der Zusatzgeschwindigkeit
sind gleich.
Die Zusatzgeschwindigkeit v wird
durch einen Pfeil dargestellt. Der
Pfeil von v zeigt von der Pfeilspitze
von v A zur Pfeilspitze von vE .
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20132.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept
Simulation zum senkrechten Stoß als unabhängiges
Programm
www.thomas-wilhelm.net/simu_stoss.zip
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20132.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept
Einwirkungsstärke und Einwirkungsrichtung werden
zusammengefasst „Kraft“ genannt.
Die Zusatzgeschwindigkeit ist umso größer,
je größer die Einwirkungsstärke ist,
je länger die Einwirkungsdauer ist,
je kleiner die Masse des Gegenstands ist.
Zusammengefasst: F t m v
Das ist eine elemantarisierte Form des zweiten
Newtonschen Axioms.
Die Produktform ermöglicht plausible Je-desto-
Beziehungen zu formulieren, die den Schülern kaum
Schwierigkeiten bereiten.
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20132.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept
Es folgen:
Sehr viele Alltags-Anwendungen dieser Newtonschen
Bewegungsgleichung
Das Beharrungsprinzip als Spezialfall (= 1. Newtonsches Axiom)
Das Wechselwirkungsprinzip (= 3. Newtonsches Axiom)
Verschiedene Kraftarten
Kräfteaddition (aber keine Kräftezerlegung!)
Kräftegleichgewicht
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20132.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept
Das Unterrichtskonzept ist ohne
Computereinsatz möglich.
Zur Veranschaulichung können
fertige Videos genutzt werden.
Eigene Messungen sind mit
einem Videoanalyseprogramm
möglich.
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20132.3 Unterrichtsmaterialien Neben der Simulation gibt es an Hilfen für Lehrkräfte drei Bücher: 1. Schülerbuch 2. Lehrerhandbuch I 3. Lehrerhandbuch II Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
2.3 Unterrichtsmaterialien
Erstellt für Forschungsprojekt für 7. Jgst
in Bayern zu engem bayerischen
Lehrplan
Mit Experimenten und Aufgaben
Buch erhältlich als pdf unter:
www.thomas-wilhelm.net/2dd
Lehrer bekamen DVD mit
Unterrichtsmaterialien
Materialien z.T. downloadbar unter:
http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/archiv/
inhalt_materialien/mechanikkonzept/index.html
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20133. Ergebnisse
aus dem
Forschungsprojekt
Kooperation mit:
Dr. Verena Tobias, LMU München
Dr. Christine Waltner, LMU München
Prof. Dr. Martin Hopf, Universität Wien
Prof. Dr. Dr. Hartmut Wiesner, LMU München
Regensburg 16.3.20133.1 Design der Studie Ablauf der Studie: Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
3.1 Design der Studie
Drei Teilstudien:
Vorstudie:14 Lehrkräfte erproben in 19 Klassen
(Würzburg)
Hauptstudie: 10 Lehrkräfte unterrichten in Kontroll- und
Treatmentgruppe (Raum München)
Nachfolgestudie: 8 Lehrkräfte unterrichten in Kontroll-
und Treatmentgruppe (Raum München)
Forschungsmethoden:
Quantitativ: Verständnistest, fachspezifisches Selbst-
konzept, Interesse am Physikunterricht, Selbstwirksam-
keitserwartung (jeweils Prä – Post – FollowUp)
Qualitativ: Lehrerinterviews, Schülerinterviews,
Videoanalyse einer ausgewählten Unterrichtsstunde
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20133.1 Design der Studie
Hauptstudie:
10 Lehrkräfte
Unterricht im Sommer 2008:
in 14 Klassen mit 358 Schüler nach dem traditionellen Konzept
(Kontrollgruppe 1)
Unterricht im Sommer 2009:
in 13 Klassen mit 367 Schüler nach dem zweidimensional-
dynamischen Konzept (Treatmentgruppe 1)
keine Schulung der Lehrkräfte, nur Aushändigung der Materialien
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20133.2 Qualitative Ergebnisse
Unterrichtstagebücher:
In Kontroll- und Treatmentgruppe: Unterricht an den jeweiligen
Lehrmitteln orientiert (gängige Bücher bzw. ausgehändigter
Lehrtext).
Materialbereitstellung ist ein effektives Mittel bei der
Implementation.
Schülerinterviews:
Die Beschreibung von Bewegungen durch den vektoriellen
Geschwindigkeitsbegriff mit den Aspekten Tempo und Richtung
bereitet den Lernenden keine Schwierigkeit.
Qualitativ von fast allen Lernenden verstanden:
Zusammenhänge von Kraft, Masse, Einwirkdauer und
Zusatzgeschwindigkeit
Beitrag von Anfangs- und Zusatzgeschwindigkeit zur
Endgeschwindigkeit
Quantitative Konstruktionen von Zusatz- und Endgeschwindigkeit
etwa durch die Hälfte der Lernenden anwendbar.
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20133.3 Ergebnisse im Verständnistest
Drei Messzeitpunkte: Vortest, Nachtest, zeitverzögerter
Nachtest (drei Monate später)
Insgesamt 17 qualitative Verständnisaufgaben
von allen Lehrern als sinnvoll akzeptiert
bewährte Items aus anderen Studien, z.B. FCI
bayerische Vergleichswerte liegen vor (von Wilhelm)
Aufteilung:
13 Items, die zu jedem Unterrichtskonzept passen
2 Items zur neuen Sachstruktur nach zweidimensional-
dynamischem Konzept
2 Items zur Beschleunigung (nur im Unterricht nach traditionellem
Konzept)
Im Vortest kein signifikanten Unterschiede zwischen
Kontroll- und Treatmentgruppe feststellbar.
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20133.3 Ergebnisse im Verständnistest
2 Items zum zweidimensional-dynamischen Konzept:
Höchst signifikanter
Unterschied
mit großer
Effektstärke
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20133.3 Ergebnisse im Verständnistest
2 Items zum traditionellen Konzept:
Kein signifikanter
Unterschied
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20133.3 Ergebnisse im Verständnistest
13 Items zum Grundverständnis:
Höchst signifikanter
Unterschied
mit mittlerer
Effektstärke
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20133.3 Ergebnisse im Verständnistest
Interaktionseffekt zwischen Gruppe und Geschlecht:
In Kontroll- und Treatmentgruppe sind die Jungen den Mädchen in
Vorwissen hoch bzw. höchst signifikant überlegen.
Unterschiede bleiben in der Kontrollgruppe bestehen oder wachsen.
In Treatmentgruppe nach Unterricht keine signifikanten
Unterschiede! Die Mädchen holen also auf!
Kontrollgruppe Treatmentgruppe
Jungen Mädchen Signifik. Jungen Mädchen Signifik.
Vortest 3.18 2.68 ** 3.13 2.53 ***
Nachtest 4.62 3.94 ** 5.57 5.18 n. s.
Zeitverzögerter
4.58 3.64 *** 5.25 4.76 n. s.
Nachtest
Mittelwerte nach Geschlechtern (** hoch signifikant, *** höchstsignifikant)
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20133.4 Nicht-kognitiven Merkmale
Itemspezifische Analyse zur
Selbstwirksamkeitserwartung:
Die Schülerinnen und Schüler der Treatmentgruppe
fühlen sich selbst kompetenter beim Einzeichnen einer
Kraft, beim Vorhersagen einer Bewegung, beim
Erklären einer Bewegung (höchst signifikant).
Die Schülerinnen und Schüler der Kontrollgruppe fühlen
sich dagegen selbst signifikant kompetenter beim
Rechnen und beim Diagramme lesen (beides keine
Lehrplaninhalte!)
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20133.5 Lehrerakzeptanz
In Treatmentgruppe:
Alle 10 Lehrkräfte wollen auch zukünftig so unterrichten.
Einige Lehrkräfte fungierten als Multiplikatoren an ihren Schulen.
Beispielzitat:
„Mit der Newtonschen Bewegungsgleichung sind sie eigentlich ganz
gut umgegangen … da konnten sie Phänomene erklären … Also da
war ich echt erstaunt … sehr, sehr gut im Vergleich zu den Klassen
vorher … sogar so gut, dass ich das dann auch in der 10. Klasse mal
zerteilt habe - die Beschleunigung - … das hat auch denen geholfen
… Prima!“ (Lehrperson 5)
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20133.5 Lehrerakzeptanz
Akzeptanz des Konzeptes in der Würzburger
Erprobungsgruppe in Abhängigkeit von den im Interview
genannten konzeptuellen Lernschwierigkeiten:
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20133.6 Preis Konzept wurde empirisch getestet Forschungsarbeiten wurden mit Polytechnikpreis prämiert. Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
4. Lehrerhandbücher
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Institut für Didaktik der Physik
Universität Frankfurt
Regensburg 16.3.20134.1 Lehrerhandbuch I • Kernpunkte des erprobten Unterrichtskonzeptes • ausführliche Darstellung • mit umfangreichen Unter- richtsmaterialien auf DVD • Erste Auflage 2011 • Zweite Auflage verfügbar seit Mitte Dezember 2012 Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
4.1 Lehrerhandbuch I
Gliederung:
1 Einführung des Themenbereichs Mechanik
2 Beschreibung von Bewegungen
3 Geschwindigkeit
4 Änderungen von Geschwindigkeiten – die
Zusatzgeschwindigkeit
5 Newtonsche Bewegungsgleichung, (träge)
Masse und Kraft Forschungsprojekt
Erweiterung
6 Vergleich von trägen Massen mithilfe von
Stoßversuchen
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20134.1 Lehrerhandbuch I • Beispiele für Videos und Videoanalysen auf der DVD des Lehrerhandbuches I: Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
4.2 Lehrerhandbuch II • Fortsetzung vom Lehrerhandbuch I • Erweiterung des ursprünglichen Konzeptes • lehrplanunabhängig, ausführliche Darstellung • Konzeptbeschreibung für die Sek I • mit sehr umfangreichen Unterrichtsmaterialien auf DVD • erscheint dieses Jahr • Titel: WILHELM, T.; WIESNER, H.; HOPF, M.; RACHEL, A.: Mechanik II: Dynamik, Erhaltunssätze, Kinematik In: Reihe Unterricht Physik, Band 6, Aulis-Verlag Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
4.2 Lehrerhandbuch II
Gliederung:
1. Anwendungen der Newton‘schen Bewegungsgleichung
2. Das Beharrungsprinzip
Forschungs
3. Das Wechselwirkungsprinzip -projekt
4. Der Impulserhaltungssatz Erweiterung
5. Die Erdanziehungskraft
6. Dehnung und Hooke’sches Gesetz
7. Kräfteaddition und Kräftegleichgewicht
8. Reibungskräfte
9. Der Energieerhaltungssatz
10.Kinematik
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20134.2 Lehrerhandbuch II
Beharrungsprinzip:
Betonung: Ohne Krafteinwirkung behält ein Körper Tempo und
Richtung.
Kein Behandeln von Trägheitskräften, sondern immer Beschreibung
aus der objektiven Sicht des außenstehenden Beobachters
Deutlich machen: Dem mitbewegten Beobachter erscheint es anders.
Wechselwirkungsprinzip:
Anwendung auf Fortbewegungen:
Auto, Flugzeug, Hubschrauber,
Sprinter, Raketen
Thomas Wilhelm 16.3.2013
Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht4.2 Lehrerhandbuch II
Impulserhaltungssatz:
Abgeleitet aus dem Wechselwirkungsgesetz
→ → mit Hilfe von F t m v,
dann experimentelle Bestätigung.
Erdanziehungskraft:
Auch konsequent ohne Beschleunigung behandelt
Hooke‘sches Gesetz:
Greifen an einem Körper an verschiedenen
Punkten zwei gleich große, entgegengerichtete
Kräfte an, ändert sich seine Geschwindigkeit nicht,
aber er kann verformt werden.
Thomas Wilhelm 16.3.2013
Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht4.2 Lehrerhandbuch II
Kräfteaddition
Es gibt keine Kräftezerlegung!
Beispiel Hangabtriebskraft
Hervorheben der Wirkungslinie
Angriffspunkte nicht explizit
Thomas Wilhelm 16.3.2013
Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht4.2 Lehrerhandbuch II
Reibungskräfte vE
Einführung als Tangentialkräfte
Bedeutung der Haftkraft,
z.B. fürs Laufen
FWT
FPN
FWN
vA FPT
Thomas Wilhelm 16.3.2013
Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht4.2 Lehrerhandbuch II
Der Energieerhaltungssatz
Keine Einführung der Energie über die Arbeit
Sondern erst Energieerhaltung, dann Arbeit
Beginn mit der kinetischen Energie
Eindimensionale Kinematik
An letzter Stelle nach Dynamik/Kräften/Erhaltungssätzen
In Gleichungen und Diagrammen: Komponenten vx und ax
Hier auch Unterrichtsvorschläge zur Beschleunigung
Thomas Wilhelm 16.3.2013
Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht4.3 Materialien
• Bei allen Themen stehen sehr viele Videos von
Bewegungen auf DVD zur Verfügung.
• Jeweils auf drei Arten zur Auswahl:
– Videos zur Bearbeitung in jedem Videoanalyseprogramm
– Videoanalyseprojekte für „measure dynamics“, bereits
analysiert mit vielen Einblendungen
– Mehrere exportierte Videos mit Einblendung
verschiedener physikalischer Größen
• Dabei Darstellung physikalischer Größen über
bewegte Pfeile und andere Einblendungen
(dynamisch ikonische Repräsentationen).
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20134.3 Materialien • Beispiel: Videos zur Erdanziehungskraft Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
4.3 Materialien • Beispiel: Videos zur Haftkraft Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
4.3 Materialien • Beispiel zur Kinematik Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
5. Videoanalyse
Prof. Dr. Thomas Wilhelm
Institut für Didaktik der Physik
Universität Frankfurt
Regensburg 16.3.20135.1 Was ist Videoanalyse?
Digitale Videos von Bewegungen heute problemlos möglich.
Videos enthalten Orts- und Zeitinformationen (Einzelbilder in
festen Zeitabständen).
Ist eine Referenzlänge bekannt, kann jeder Ort berechnet
werden.
Früher: Folie auf Fernsehbildschirm gelegt und mit Lineal
abgemessen.
Heute Computerprogramm, das die Berechnung und
Darstellung übernimmt (sehr unterschiedliche).
Ortsmessung durch Mausklick oder durch intelligentes
Programm.
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20135.1 Was ist Videoanalyse?
Markieren des Ortes:
Bahnkurve:
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20135.1 Was ist Videoanalyse?
Darstellung der Zentripetalbeschleunigung durch
Einblenden von Pfeilen:
Bild anklicken!
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20135.1 Was ist Videoanalyse?
Videoanalyse von Bewegungen in Lehrplänen vorgesehen
(Bayern, Brandenburg, Hessen, Schleswig-Holstein)
Videoanalyse in vielen Schulbüchern beschrieben
Berührungsfreies Messwerterfassungssystem besonders
für den Mechanikunterricht.
Verschiedenste Programme verfügbar, die noch sehr zu
wünschen übrig lassen.
Wir haben „measure dynamics“ mit einer Vielzahl neuer
Möglichkeiten entwickelt.
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20135.1 Was ist Videoanalyse?
– Einfache, billige Klick-Programme, bei denen die
Auswertung nur manuell möglich ist:
Deutsch: DiVa, Gallileo, David, ViMPS, Easyvid, VideoAnalyzer,
DOTSPOT, Coach5, EVA
Englisch: VideoPoint, World-in-Motion, VidAna
– Programme, die eine automatische Auswertung haben:
Viana und Viana.net (funktioniert schlecht, da nur Farbanalyse)
Coach 6 (auch nur Farbanalyse)
Tracker (gut, Freeware mit Modellbildung, keine Einblendungen)
AVA (Erprobungszeitraum abgelaufen)
measure dynamics (sehr sehr gut, mit vielfältigen Darstellungen)
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20135.2 Videoanalyse mit measure dynamics
Automatische Bewegungsanalyse
• Pucks auf Luftkissentischen
• Video mit über 2.000 Frames
• Fehlerfreie Analyse in 3 min
• Maxwellsche
Geschwindigkeits-
verteilung
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20135.2 Videoanalyse mit measure dynamics
Automatische Bewegungsanalyse
• Pucks auf Luftkissentisch
• Video mit über 2000 Frames
• Fehlerfreie Analyse in 3 min
• Maxwellsche
Geschwindigkeits-
verteilung
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20135.2 Videoanalyse mit measure dynamics
Diagramme in Echtzeit:
Erzeugung von Diagrammen synchron zum ablaufenden
Video
Räumliche Kontiguität von
Diagramm und
Video/Experiment
Beispiel:
Federpendel
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20135.2 Videoanalyse mit measure dynamics • Auswertung der Bewegungen von bis zu zwölf Objekten bzw. Objektpunkten Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
5.2 Videoanalyse mit measure dynamics
Dynamisch ikonische Repräsentation:
Einblendung von Säulen und Pfeilen
für die physikalischen Größen,
angeheftet oder ortsfest.
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20135.2 Videoanalyse mit measure dynamics
Dynamisch ikonische Repräsentation:
Ortsfeste
Vektoren
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20135.2 Videoanalyse mit measure dynamics Serienbilder Für Schülerarbeitsblätter zum Ausmessen Schmale Streifen als t-x-Diagramm Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013
5.2 Videoanalyse mit measure dynamics
Serienbilder
Beispiel t-v-Diagramm:
Serienbild ortsfester Geschwindigkeitspfeile
bei einer Schwingung
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20135.2 Videoanalyse mit measure dynamics
Einfaches Erstellen von Stroboskop-
bildern aus jedem beliebigen Video
Normales Stroboskopbild Stroboskopbild abgeblendet
mit weiteren Einblendung
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20135.2 Videoanalyse mit measure dynamics
Verschiedene Möglichkeiten bei Stroboskopbildern
Monochromatischer Farbige Blitzlichter
Hintergrund
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20135.3 Pro und Contra
Vorteile:
Multicodierung der Lerninhalte
Dynamische Darstellung von Vektorpfeilen
Einfache Erstellung von Stroboskopbildern
Interessante Alltagsbewegungen sind analysierbar.
Messungen am eigenen Körper
Berührungsfreies Messen ist möglich.
Zweidimensionale Bewegungen sind messbar.
Schüler können selbsttätig analysieren.
Auch zu Hause möglich, wenn Videos vorhanden.
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20135.3 Pro und Contra
Probleme:
Es sind gute Videos nötig (verzerrungsfrei, hohe
Framerate).
Es gibt keinen Standard bzgl. Videoformaten und
Codecs.
Hohe Messungenauigkeit (Beschleunigung!)
Nur in der Mechanik einsetzbar.
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.20136. Fazit
Zusammenfassung der Ideen:
In die Mechanik wird sinnvollerweise dynamisch und
zweidimensional eingeführt.
Viele Unterrichtsmaterialien liegen mittlerweile vor.
Die Videoanalyse erleichtert die Behandlung.
Zusammenfassung der Studie:
Signifikant mehr fachliches Verständnis in den Treatmentgruppen.
Überlegenheit der Jungen gegenüber Mädchen wird ausgeglichen.
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013Zwei weiterführende Links
Zum Mechanik-Konzept „zweidimensional-
dynamische Mechanik im Anfangsunterricht“:
Infos, Materialien, Schulbuch, Software und Literatur
unter:
www.thomas-wilhelm.net/2dd.htm
Zum Videoanalyseprogramm „measure dynamics“:
Infos,Materialien, Link zur Phywe und Literatur unter:
www.thomas-wilhelm.net/mD.htm
Thomas Wilhelm Zweidimensional-dynamischer Mechanikunterricht 16.3.2013Vielen Dank für ihre
Aufmerksamkeit!
Regensburg 16.3.2013Materialien zu
Mechanik in Jahrgangsstufe 7 des bayerischen G8
Prof. Dr. Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Uni Frankfurt
1. Das vorgestellte Schülerbuch:
Download unter http://www.thomas-wilhelm.net/Mechanikbuch_Druckversion.pdf
2. Die beiden vorgestellten Lehrerhandbücher:
WIESNER, H.; WILHELM, T.; WALTNER, C; TOBIAS, V.; RACHEL, A.; HOPF, M.
Mechanik I: Kraft und Geschwindigkeitsänderung
Reihe Unterricht Physik, Band 5, Aulis-Verlag, ISBN: 9-783-7614-2841-2, 2. Auflage, 2012
http://www.aulis.de/items/view/band-5-mechanik-i-kraft-und-
geschwindigkeitsanderung.html
Das Buch ist nicht bei Amazon.de erhältlich, aber direkt beim Verlag.
Bestellnummer: A302841-916
WILHELM, T.; WIESNER, H.; HOPF, M.; RACHEL, A.
Mechanik II: Dynamik, Erhaltungssätze, Kinematik
Reihe Unterricht Physik, Band 6, Aulis-Verlag, ISBN 978-3-7614-2897-2, 2013
Das Buch wird voraussichtlich im September ausgeliefert, kann aber jetzt schon beim
Verlag bestellt werden: Bestellnummer: A302897.
3. Online-Materialien zum Unterrichtskonzept:
http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/archiv/inhalt_materialien/
mechanikkonzept/index.html
http://www.thomas-wilhelm.net/2dd.htm
4. Das vorgestellte Simulationsprogramm (Freeware):
Download unter http://www.thomas-wilhelm.net/simu_stoss.zip
5. Demoversion der Videoanalysesoftware „measure dynamics“:
Download unter http://www.phywe.de/141n110/Service/Downloads/Software.htm
Die Demoversion kann alles, was die Vollversion kann. Nach Start ist allerdings zehn
Minuten zu warten.
6. Infos zur Videoanalyse mit „measure dynamics“:
Verweis auf viele Staatsexamensarbeiten und viele Artikel:
www.thomas-wilhelm.net/mD.htmLiteratur zu
Mechanik in Jahrgangsstufe 7 des bayerischen G8
Prof. Dr. Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Uni Frankfurt
1. Kurze Übersichtsartikel:
HOPF, M.; WILHELM, T.; WIESNER, H.; TOBIAS, V.; WALTNER, C.: Mit der Zweiten lernt
man mehr – In: Physik Journal 11, Nr. 12, 2013, S. 35 - 38
WILHELM, T.; TOBIAS, V.; WALTNER, C.; HOPF, M.; WIESNER, H.: Zweidimensional-
dynamische Mechanik – Ergebnisse einer Studie - In: Höttecke, D. (Hrsg.): Chemie- und Physikdidak-
tik für die Lehramtsausbildung, Jahrestagung der GDCP in Potsdam 2010, Reihe: Gesellschaft für Di-
daktik der Chemie und Physik, Band 31, Lit-Verlag, Münster, 2011, S. 438 – 440
http://www.thomas-wilhelm.net/veroeffentlichung/ErgebnisMechanikstudie.pdf
2. Darstellung des Forschungsprojektes:
WILHELM, T.; TOBIAS, V.; WALTNER, C; HOPF, M.; WIESNER, H.: Design-Based Research
am Beispiel der zweidimensional-dynamischen Mechanik – In: Bernholt, S. (Hrsg.): Kon-
zepte fachdidaktischer Strukturierung, Jahrestagung der GDCP in Oldenburg 2011, Reihe: Gesellschaft
für Didaktik der Chemie und Physik, Band 32, Lit-Verlag, Münster, 2012, S. 31 – 47
http://www.thomas-wilhelm.net/veroeffentlichung/Plenarvortrag.pdf
3. Darstellung des Unterrichtskonzeptes:
WALTNER, C; TOBIAS, V.; WIESNER, H.; HOPF, M.; WILHELM, T.: Ein Unterrichtskonzept
zur Einführung in die Dynamik in der Mittelstufe - In: Praxis der Naturwissenschaften –
Physik in der Schule 59, Nr. 7, 2010, S. 9 - 22
4. Vergleich aller in Bayern für die Jgst. 7 zugelassener Schulbücher:
WILHELM, T.; TOBIAS, V.; WALTNER, C.; HOPF, M.; WIESNER, H.: Zweidimensional-
dynamische Mechanik – Ergebnisse einer Studie - In: Höttecke, D. (Hrsg.): Chemie- und Physikdidak-
tik für die Lehramtsausbildung, Jahrestagung der GDCP in Potsdam 2010, Reihe: Gesellschaft für Di-
daktik der Chemie und Physik, Band 31, Lit-Verlag, Münster, 2011, S. 438 – 440
http://www.thomas-wilhelm.net/veroeffentlichung/ErgebnisMechanikstudie.pdfDidaktik der Physik
Frühjahrstagung – Jena 2013
Lehrerhandbücher zur zweidimensional-dynamischen Mechanik
Thomas Wilhelm*, Hartmut Wiesner+, Martin Hopf°
* Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 1, 60438 Frankfurt am Main
+
Lehrstuhl für Didaktik der Physik, Ludwig-Maximilians-Universität, Theresienstr. 37, 80333 München
° Universität Wien, Österr. Kompetenzzentrum f. Didaktik der Physik, Porzellangasse 4/2, A-1090 Wien
wilhelm@physik.uni-frankfurt.de; hartmut.wiesner@physik.uni-muenchen.de; martin.hopf@univie.ac.at
Kurzfassung
In den Jahren 2008 bis 2010 wurde das umfangreiche Forschungsprojekt „Zweidimensional-
dynamische Einführung in die Mechanik“ in der Jahrgangsstufe 7 durchgeführt. Dieses Konzept
wurde dann erweitert und dazu mittlerweile zwei Lehrerhandbücher erstellt (Mechanik I: 2011,
Mechanik II: 2013), wofür viele verschiedene Vorarbeiten aufgegriffen wurden. Diese beiden
Handbücher decken in etwa die gesamte Mechanik der Sekundarstufe I bis Jahrgangsstufe 10 ab
und enthalten sehr umfangreiche Unterrichtsmaterialien. Da sie lehrplanunabhängig sein sollen,
bieten sie vieles zur Auswahl an. U. a. gibt es zahlreiche Videos mit diversen Einblendungen wie
z.B. Geschwindigkeitspfeile. Die didaktischen Entscheidungen des erweiterten Konzeptes werden
vorgestellt.
1. Rückblick auf ein Forschungsprojekt fe I auf die Größe „Beschleunigung“ sowie weitge-
Das zweidimensional-dynamische Mechanikkonzept hend auf Rechenaufgaben und Diagramminterpreta-
[1] wurde als Unterrichtskonzept zur Einführung in tionen verzichtet. Das zweite Newton’sche Axiom
die Mechanik in der Sekundarstufe I entwickelt, (Newton‘sche Bewegungsgleichung) wird außerdem
wobei auf viele Vorarbeiten [2] aufgebaut werden nicht induktiv im Experiment hergeleitet,
sondern in
konnte, und anschließend in der Jahrgangsstufe 7 der vereinfachten Produktform F t m v
des bayerischen Gymnasiums evaluiert [3-5]. Dieses mitgeteilt und mit Hilfe von Experimenten und Si-
Kooperationsprojekt der Universitäten München, mulationen plausibel gemacht. Des Weiteren wird
Wien und Würzburg wurde schließlich mit einem auf Momentanwerte verzichtet und nur Durch-
zweiten Preis beim ersten Polytechnikpreis der Stif- schnittswerte kleiner Zeitintervalle t betrachtet.
tung Polytechnische Gesellschaft Frankfurt am Main Zuerst wird im Unterricht thematisiert, wie man
prämiert. allgemeine zweidimensionale Bewegungen be-
Dieses Unterrichtskonzept unterscheidet sich in schreiben kann. Dann wird das Tempo als zurückge-
vielerlei Hinsicht vom traditionellen Mechanik- legter Weg durch die dazu benötigte Zeit sowie die
Unterricht. Hier werden nur die zwei wesentlichen Richtung als augenblickliche Bewegungsrichtung
Unterschiede genannt: eingeführt. Tempo und Richtung werden schließlich
zu einer neuen Größe Geschwindigkeit kombiniert,
Die Dynamik wird hinsichtlich der Reihenfolge
die durch einen Pfeil dargestellt wird.
und der Gewichtung vor der Statik unterrichtet.
Der Begriff „Kraft“ wird dazu nur über Bewe- Anschließend wird gezeigt, dass eine Einwirkung
gungsänderungen eingeführt. Erst viel später eine Zusatzgeschwindigkeit v zur Folge hat (siehe
wird der Spezialfall behandelt, dass ein ruhender Abb. 1), die die gleiche Richtung wie die Einwir-
Körper bei Kräftegleichgewicht in Ruhe bleibt, kung hat [1]. Einwirkungsstärke und Einwirkungs-
und das Phänomen, dass zwei gegengleiche richtung werden zum Begriff „Kraft“ zusammenge-
Kräfte, die an einem ausgedehnten Körper an- fasst. Viele Versuche machen plausibel, dass allge-
greifen, diesen verformen können. mein das Tempo der Zusatzgeschwindigkeit umso
größer ist, je größer die Einwirkungsstärke, je länger
Zweidimensionale Bewegungen werden in Rei-
die Einwirkungszeit und je kleiner die Masse des
henfolge und Gewichtung vor eindimensionalen
Gegenstandes
Bewegungen behandelt, wobei die gerichteten ist. Dies wird zusammengefasst in
F t m v . Damit wird die Schülervorstellung,
Größen mit Pfeilen statt mit Diagrammen darge-
dass die (End-)Geschwindigkeit in Richtung und
stellt werden.
Betrag durch die Kraft bestimmt ist, umgedeutet in
Wenn man bestimmte Inhalte neu oder verstärkt den Zusammenhang zwischen Kraft und Zusatzge-
unterrichten will, muss man auch überlegen, welche schwindigkeit.
Inhalte man reduziert. Bei diesem Konzept wird bei
der Einführung in die Mechanik in der Sekundarstu-
1Wilhelm et al.
Abb. 2: Titelbild des Schülerbuches
Abb. 1: Die Zusatzgeschwindigkeit v zeigt in Einwir-
kungsrichtung. Anfangsgeschwindigkeit und Zusatzge-
schwindigkeit ergeben die Endgeschwindigkeit
Die durchgeführte Forschungsstudie bestand aus
einer Vorstudie zur Erprobung (14 Lehrkräfte in 19
Klassen), einer Hauptstudie und einer Nachfolgestu-
die mit acht Lehrkräften. In der Hauptstudie haben
zehn Lehrkräfte zunächst traditionell (14 Klassen,
358 Schüler) und dann nach dem zweidimensional-
dynamischen Konzept (13 Klassen, 370 Schüler)
unterrichtet. Zur Evaluation wurde ein Mix aus ver-
schiedenen quantitativen und qualitativen For-
schungsmethoden verwendet.
Abb. 3: Titelbilder der beiden Lehrerhandbücher
Als Ergebnis wurde festgestellt, dass die Schüler der
Treatmentgruppe signifikant mehr fachliches Ver- 2. Die Lehrerhandbücher
ständnis erreichten [3-5]. Insbesondere die Mädchen
Das Lehrerhandbuch I [6] umfasst die Kernpunkte
profitierten stark, so dass die anfängliche Überle-
des erprobten Unterrichtskonzeptes. Dazu gehören
genheit der Jungen ausgeglichen werden konnte.
neben der Einführung in den Themenbereich die
Interessanterweise waren diese Erfolge ohne intensi-
Beschreibung von Bewegungen, die Geschwindig-
ve Lehrerschulung und ohne begleitendes Coaching
keit, die Zusatzgeschwindigkeit und die New-
nur durch Bereitstellen der Materialien möglich.
ton‘sche Bewegungsgleichung. Ergänzend zum
Das Unterrichtskonzept stieß außerdem bei den ursprünglichen Konzept wurde noch der Vergleich
unterrichtenden Lehrkräften auf sehr hohe Akzep- von trägen Massen mithilfe von Stoßversuchen auf-
tanz. Diese war umso höher, ja mehr die Lehrkräfte genommen. Das Buch enthält ausführliche Darstel-
über Lernschwierigkeiten beim Mechaniklernen lungen des Unterrichts mit umfangreichen Unter-
wussten. Interessanterweise hatte dieses physikdi- richtsmaterialen auf DVD, z.B. eine Simulation zum
daktische Wissen aber keine Auswirkung auf den senkrechten Stoß (siehe Abb. 4). Die erste Auflage
Lernerfolg der Schüler, wenn die Lehrkräfte nach erschien im November 2011 und war schnell vergrif-
den erarbeiteten Materialien unterrichteten. fen, so dass seit Dezember 2012 die zweite Auflage
Für das Forschungsprojekt wurde passend zum bay- verfügbar ist.
erischen Gymnasial-Lehrplan für die siebte Jahr-
gangsstufe eine Schülerbuch erstellt (siehe Abb. 2),
das auch viele Experimente und Aufgaben enthält.
Dieses Buch ist unter www.thomas-
wilhelm.net/2dd.htm downloadbar. Weitere Unter-
richtsmaterialien, die die Lehrkräfte erhielten, sind
unter www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/archiv/
inhalt_materialien/mechanikkonzept/index.html
erhältlich. Später wurden dann zwei Lehrerhandbü-
cher erstellt (siehe Abb. 3), die nötiges Fachwissen
und didaktische Leitideen für Lehrkräfte darlegen,
sowie Vorschläge für den Ablauf der Unterrichts-
einheiten machen.
Abb. 4: Screenshot der Simulationssoftware, die dem
ersten Lehrerhandbuch auf DVD beiliegt
2Lehrerhandbücher zur zweidimensional-dynamischen Mechanik
Das Lehrerhandbuch II [7] (geplantes Erscheinungs- der Newton‘schen Bewegungsgleichung experimen-
datum September 2013) ist die Fortsetzung des ers- tell ermitteln kann.
ten Handbuches und erweitert das ursprünglich eva- Beim Thema Dehnung werden die Kräfte an beiden
luierte Unterrichtskonzept. Beide Bücher decken Enden des Körpers betrachtet: Greifen an einem
damit die gesamte Mechanik der Sekundarstufe I ab. Körper an verschiedenen Punkten zwei gleich große,
Zunächst geht es im zweiten Buch um Anwendun- entgegengerichtete Kräfte an, ändert sich seine Ge-
gen der Newton‘schen Bewegungsgleichung schwindigkeit nicht, aber er kann verformt werden
(2. Newton’sches Axiom), dem Beharrungsprinzip (siehe Abb. 6). Das Hooke’sche Gesetz „D = F/s =
(1. Newton‘sches Axiom) und dem Wechselwir- konstant“ wird dann nur als ein Spezialfall eines
kungsprinz (3. Newton‘sches Axiom), was Inhalte Dehnungsverhaltens vorgestellt, nachdem mit
des Forschungsprojektes waren. Die Erweiterung Gummiringen ein allgemeinerer Fall behandelt wur-
betrifft den Impulserhaltungssatz, die Erdanzie- de.
hungskraft, das Hooke’sche Gesetz, die Kräfteaddi-
tion, Reibungskräfte, den Energieerhaltungssatz und
die eindimensionale Kinematik.
3. Entscheidungen zur Sachstruktur im zweiten
Band
Beim Beharrungsprinzip wird betont, dass ein Kör-
per ohne Krafteinwirkung sein Tempo und seine
Richtung beibehält, während ein Beibehalten der
Ruhe nicht betont werden muss, da dies den Schü-
lern klar ist. Trägheitskräfte werden nicht explizit
behandelt, sondern die Beschreibung aus der objek-
tiven Sicht des außenstehenden Beobachters betont.
Dennoch wird deutlich gemacht, dass es dem mit-
bewegten Beobachter anders erscheint.
Beim Wechselwirkungsprinzip wird ein Schwer-
punkt auf die Anwendung Fortbewegungen gelegt
[8]. So übt z.B. das anfahrende Auto auf die Straße
eine Kraft nach hinten aus und die Straße übt eine Abb. 6: Versuch zur Dehnung eines Gummirings mit
gleichgroße entgegengerichtete Kraft auf das Auto wirkenden Kräften auf den Gummiring
nach vorne aus (siehe Abb. 5). Eine besonders at- Ein wichtiges Thema ist die Kräfteaddition, wobei
traktive Anwendung sind Raketen, die ein Gas nach auf Kräftezerlegung konsequent verzichtet wird. So
hinten hinausdrücken, während das Gas die Rakete wird die Hangabtriebskraft auf einer schiefen Ebene
nach vorne drückt. als Resultierende von Erdanziehungskraft und Nor-
malkraft durch die Unterlage behandelt (siehe Abb.
7). Im weiteren Verlauf wird die Wirkungslinie einer
Kraft hervorgehoben, während Angriffspunkte nicht
explizit thematisiert werden.
Abb. 5: Ferngesteuertes Spielzeugauto auf einer Glasplat-
te und Papprollen
Der Impulserhaltungssatz wird beim Stoß zweier
Körper aus dem Wechselwirkungsgesetz mit Hilfe
von F t m v abgeleitet und experimentell
bestätigt.
Auch bei der Erdanziehungskraft wird konsequent
auf die Beschleunigung verzichtet und stattdessen
die Zusatzgeschwindigkeit v in kleinen Zeitinter- Abb. 7: Kräfte auf einen reibungsfrei auf einer schiefen
vallen t betrachtet. Die Schülerinnen und Schüler Ebene bewegten Körper
lernen hier ein erstes Beispiel für eine allgemeine
Kraftfunktion kennen und wie man diese mit Hilfe
3Wilhelm et al.
Reibungskräfte werden als Tangentialkräfte einge- den die Geschwindigkeit mit vx und die Beschleuni-
führt. Dies ist an einem Luftkissenpuck zu sehen, gung mit ax bezeichnet.
der nach einem Stoß an die Wand nicht nur eine Im ganzen Unterrichtshandbuch wurde versucht, nur
Zusatzgeschwindigkeit senkrecht zur Wand bekom- spärlich und vorsichtig Graphen einzusetzen. Erst
men hat, sondern auch eine Rotation zeigt (siehe bei der Kinematik folgt eine langsame und systema-
Abb. 8). Großen Wert wird auf die qualitative Be- tische Hinführung zu Graphen und wird ihr Ver-
deutung der Haftkraft gelegt, die z.B. das Laufen ständnis und ihre Interpretation geübt. Dabei wird
ermöglicht. kein Wert auf die spezielle Form von Graphen bei
speziellen Bewegungen gelegt, wie konstante Ge-
schwindigkeit oder konstante Beschleunigung. Ent-
vE
sprechend werden auch die speziellen Gleichungen
nicht betont, z.B. die Bewegungsfunktionen bei
gleichförmig beschleunigter geradliniger Bewegung.
Viel wichtiger sind die grundlegenden Definitionen
wie vx = x/t und ax = vx/t.
4. Besonderheiten bei den Materialien
Auf der den Büchern beiliegenden DVDs befinden
FWT sich viele Videos für den Einsatz im Unterricht. Bei
FPN jeder gefilmten Situation stehen drei Arten von An-
FWN geboten zur Verfügung:
vA FPT Videos ohne irgendwelche Einblendungen, die in
jedem Videoanalyseprogramm geladen und ana-
lysiert werden können;
Abb. 8.: Links: ein Luftkissenpuck stößt gegen die Wand Dateien für das Videoanalysesystem „measure
und erhält eine Zusatzgeschwindigkeit und eine Rotation, dynamics“, in dem die Videos analysiert und mit
rechts: ܨԦே und ܨԦ் sind die Normal- und die Tangential- vielen hilfreichen Einblendungen versehen wur-
kraft von der Wand auf den Puck, ܨԦௐே und ܨԦௐ் sind die den, so dass man in dieser Software selbst ent-
vom Puck auf die Wand ausgeübten Kräfte. scheiden kann, welche Einblendungen und wel-
che Diagramme man zeigen will;
Beim Thema Energie wird auf den Arbeitsbegriff mit verschiedenen Einblendungen exportierte
weitgehend verzichtet und Energie nicht über Arbeit Videos, die ohne ein Videoanalyseprogramm
eingeführt. Erst nachdem die Energieerhaltung be- vorgeführt werden können.
handelt ist, wird Arbeit als die Änderung der Energie
eines Systems definiert, die sich aufgrund einer
Wechselwirkung über die Systemgrenzen hinweg
ergibt. Im Zentrum steht die Energieerhaltung. Eine
der angebotenen Varianten motiviert zuerst über den
Impulserhaltungssatz die Suche nach einer weiteren
Erhaltungsgröße, der kinetischen Energie. Dieser
Zugang sieht die schrittweise Erweiterung des Ener-
gieerhaltungssatzes vor: Bei Vorgängen, bei denen
der bisher formulierte Energieerhaltungssatz nicht
mehr gilt, wird die Suche nach einem neuen Term
motiviert, der additiv hinzugefügt wieder zu einem
Erhaltungssatz führt [9].
Die eindimensionale Kinematik kommt erst an letz-
ter Stelle, nachdem die Dynamik, verschiedene
Kräfte und die Erhaltungssätze behandelt wurden. Abb. 9: Zeitlupenvideo eines „springenden“ Spielzeugau-
Da das Buch auf alle Lehrpläne anpassbar sein soll, tos mit eingeblendeter Anfangsgeschwindigkeit, Zusatzge-
gibt es hier auch Unterrichtsvorschläge zur Behand- schwindigkeit und Endgeschwindigkeit für jedes Zeitin-
lung der Beschleunigung, auf die bis hierher ver- tervall
zichtet wurde. Dabei geht es aber nur um die mittle- An Einblendungen gibt es neben Texten und Hilfsli-
re Beschleunigung im Zeitintervall t . Der Grenz- nien insbesondere die Darstellung physikalischer
übergang zur momentanen Beschleunigung wäre ein Größen durch bewegte Pfeile und Säulen, auch dy-
weiterer, anspruchsvoller, aber unnötiger Schritt. namisch ikonische Repräsentationen genannt [8].
Da es sich bei der eindimensionalen Beschreibung Zwei Bespiele aus dem ersten Lehrerhandbuch zei-
einer geradlinigen Bewegung bei den beschreiben- gen die Abbildungen 9 und 10. In den entsprechen-
den Größen um Vektorkomponenten in x-Richtung den Videos wird vom bewegten Objekt eine Bahn-
eines gewählten Koordinatensystems handelt, wer-
4Lehrerhandbücher zur zweidimensional-dynamischen Mechanik
kurve gestempelt und an das bewegte Objekt dyna-
misch Geschwindigkeitspfeile gezeichnet.
Abb. 12: Zeitlupenvideo eines Spielzeugautos („Affen-
schuss“) mit eingeblendeter Anfangsgeschwindigkeit,
Zusatzgeschwindigkeit und Endgeschwindigkeit (Zeitin-
Abb. 10: Video eines Pucks auf einem Luftkissentisch mit tervall immer gerechnet von Beginn des Sprunges an)
Einblendung von Anfangsgeschwindigkeit, Zusatzge-
schwindigkeit und Endgeschwindigkeit an zwei Punkten.
Die Abbildungen 11 und 12 zeigen zwei Beispiele
zur Fallbewegung aus dem zweiten Lehrerhandbuch,
die mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufge-
nommen wurden und in Zeitlupe abgespielt werden
[10].
Abb. 13: Geschwindigkeitspfeil an einem Wagen, der sich
nur eindimensional bewegen kann, und Geschwindigkeits-
pfeile gedreht und nebeneinander gestempelt
Viele Videos können im Unterricht auch leicht
nachgemacht werden. Bei anderen ist das nur schwer
möglich, so dass man auf die vorgefertigten Videos
angewiesen ist. So wurden für das Video der Abbil-
dung 14 die aufgezeichneten Messwerte beim Gehen
über eine Kraftmessplatte zusammen mit dem
gleichzeitig aufgenommenen Video in measure
dynamics importiert [11]. Schließlich wurde die
gemessene Kraft vom Boden auf die gehende Person
Abb. 11: Zeitlupenvideo einer fallenden Kugel mit einge- als Pfeil in das Video eingeblendet. So wird die
blendeter Anfangsgeschwindigkeit, Zusatzgeschwindig- Bedeutung der Haftkraft für das Gehen deutlich.
keit und Endgeschwindigkeit für jedes Zeitintervall, die in
gleichen Abständen nebeneinander gestempelt werden
Beim Filmen einiger Experimente wurde darauf
geachtet, dass neben dem Experiment (siehe Abb.
11) oder unter dem Experiment (siehe Abb. 13) Platz
für Einblendungen ist. Indem die Pfeile für relevante
physikalische Größen mit der Zeit nach rechts ver-
schoben werden, entstehen Vorstufen eines Zeit-
Graphen, so dass die Schülerinnen und Schüler zu
Graphen hingeführt werden.
Abb. 14: Normalkraft und Haftkraft beim Abdrücken des
Fußes: Der Boden drückt den Fuß nach vorne.
5Wilhelm et al.
5. Literatur [6] Wiesner, H.; Wilhelm, T.; Rachel, A.; Waltner,
[1] Waltner, C; Tobias, V.; Wiesner, H.; Hopf, M.; C; Tobias, V.; Hopf, M. (2011): Mechanik I:
Wilhelm, T. (2010): Ein Unterrichtskonzept zur Kraft und Geschwindigkeitsänderung, Reihe
Einführung in die Dynamik in der Mittelstufe. Unterricht Physik, Band 5, Aulis-Verlag
In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik in [7] Wilhelm, T.; Wiesner, H.; Hopf, M.; Rachel, A.
der Schule 59, Nr. 7, S. 9 - 22 (2013): Mechanik II: Dynamik, Erhaltungssät-
[2] Wilhelm, T.; Tobias, V.; Waltner, C; Hopf, M.; ze, Kinematik, Reihe Unterricht Physik, Band
Wiesner, H. (2012): Design-Based Research am 6, Aulis-Verlag
Beispiel der zweidimensional-dynamischen [8] Wilhelm, T. (2005): Konzeption und Evaluati-
Mechanik. In: Bernholt, S. (Hrsg.): Konzepte on eines Kinematik/Dynamik-Lehrgangs zur
fachdidaktischer Strukturierung, Jahrestagung Veränderung von Schülervorstellungen mit Hil-
der GDCP in Oldenburg 2011, Reihe: Gesell- fe dynamisch ikonischer Repräsentationen und
schaft für Didaktik der Chemie und Physik, graphischer Modellbildung, Dissertation, Stu-
Band 32, Lit-Verlag, Münster, S. 31 – 47 dien zum Physik- und Chemielernen, Band 46,
[3] Tobias, V. (2010): Newton‘sche Mechanik im Logos-Verlag, Berlin, und unter
Anfangsunterricht. Die Wirksamkeit einer Ein- http://www.opus-bayern.de/uni-wuerzburg/
führung über zweidimensionale Dynamik auf volltexte/2009/3955/
das Lehren und Lernen, Studien zum Physik- [9] Bader, M. (2001): Vergleichende Untersuchung
und Chemielernen, Band 105, Logos-Verlag, eines neuen Lehrganges „Einführung in die
Berlin mechanische Energie und Wärmelehre“, Dis-
[4] Wilhelm, T.; Tobias, V.; Waltner, C.; Hopf, M.; sertation Universität München,
Wiesner, H. (2011): Zweidimensional- http://edoc.ub.uni-
dynamische Mechanik – Ergebnisse einer Stu- muenchen.de/191/1/Bader_Martin.pdf
die. In: Höttecke, D. (Hrsg.): Chemie- und Phy- [10] Michel, M.; Wilhelm, T. (2010): Einsatzmög-
sikdidaktik für die Lehramtsausbildung, Jahres- lichkeiten von Hochgeschwindigkeitskameras
tagung der GDCP in Potsdam 2010, Reihe: Ge- im Physikunterricht - In: PhyDid-B - Didaktik
sellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, der Physik – Frühjahrstagung Hannover 2010,
Band 31, Lit-Verlag, Münster, S. 438 - 440 http://www.phydid.de/index.php/phydid-
[5] Wilhelm, T.; Tobias, V.; Waltner, C; Hopf, M.; b/article/view/145/181
Wiesner, H. (2012): Einfluss der Sachstruktur [11] Weidt, M.; Wilhelm, T.: Bewegungen des eige-
auf das Lernen Newtonscher Mechanik. In: nen Körpers – Möglichkeiten der Messwerter-
Bayrhuber, H.; Harms, U.; Muszynski, B.; Ral- fassung im Vergleich. In: PhyDid-B - Didaktik
le, B.; Rothgangel, M.; Schön, L.-H.; Vollmer, der Physik – Frühjahrstagung Münster 2011,
H.; Weigand, H.-G. (Hrsg.): Formate Fachdi- http://www.phydid.de/index.php/phydid-
daktischer Forschung. Empirische Projekte – b/article/view/260/415
historische Analysen – theoretische Grundle-
gungen, Fachdidaktische Forschungen, Band 2,
Waxmann, Münster/New York/München/Berlin
6Sie können auch lesen
